淺析汽車電子系統(tǒng)中的處理器選擇

       汽車正經(jīng)歷著一場(chǎng)數(shù)字革命的洗禮：純機(jī)械系統(tǒng)和模擬電子的時(shí)代一去不復(fù)返。現(xiàn)今的汽車是數(shù)字化的汽車，內(nèi)置了幾十甚至上百個(gè)嵌入式處理器，它們通過數(shù)字網(wǎng)路相互連接，以控制和優(yōu)化汽車內(nèi)幾乎每一個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

       將來的汽車會(huì)集成更多的處理器，因?yàn)橄冗M(jìn)的應(yīng)用和性能要求更為復(fù)雜的信號(hào)處理算法，包括安全、引擎和尾氣排放控制、駕駛者與汽車的交互界面，以及車內(nèi)信息和娛樂系統(tǒng)等。

　　汽車市場(chǎng)要求處理器供應(yīng)商做出長(zhǎng)期的承諾。例如，汽車制造商有時(shí)要求其供應(yīng)商對(duì)某一處理器產(chǎn)品提供長(zhǎng)達(dá)10～15年的供應(yīng)承諾。下面我們將探討針對(duì)汽車數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用的各種處理器類型，以及各個(gè)類型的優(yōu)缺點(diǎn)。此外，我們還將分析汽車應(yīng)用的特殊要求對(duì)面向汽車市場(chǎng)的處理器的影響。

　　汽車應(yīng)用中處理器的選擇 

　　汽車系統(tǒng)所用處理器的選擇受多種因素的影響。最主要的選擇標(biāo)準(zhǔn)一般包括汽車認(rèn)證資格、片上集成度、性能、價(jià)格和節(jié)能等。軟件開發(fā)工具的質(zhì)量及軟件組件的可用性也會(huì)影響到處理器的選擇。處理器供應(yīng)商對(duì)其產(chǎn)品的承諾以及將來的發(fā)展規(guī)劃等也是重要的考慮因素。 

　　由于關(guān)系到生命安全，汽車引擎、氣囊控制和剎車系統(tǒng)等關(guān) 
鍵的汽車安全系統(tǒng)對(duì)處理器有十分嚴(yán)格的可靠性和耐用性要求。因此，汽車安全系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)處理器供應(yīng)商來說是最嚴(yán)峻的考驗(yàn)。這些應(yīng)用要求處理器獲得汽車認(rèn)證資格，而且這類處理器都需要專門的設(shè)計(jì)、制造、封裝和測(cè)試方法。 

　　有許多非關(guān)鍵信號(hào)處理汽車系統(tǒng)也需要大量的處理器，比如車內(nèi)導(dǎo)航和娛樂設(shè)備。盡管汽車整車制造商和汽車電子系統(tǒng)供應(yīng)商對(duì)這類應(yīng)用也要求高質(zhì)量的組件，但要求畢竟沒有關(guān)鍵性安全應(yīng)用那么高。例如，用于車內(nèi)系統(tǒng)的處理器一般不要求獲得汽車認(rèn)證資格。 

　　現(xiàn)在，對(duì)性能要求最高的汽車信號(hào)處理應(yīng)用是車內(nèi)導(dǎo)航和娛樂系統(tǒng)。再過幾年這一情形可能有所改變，因?yàn)樾碌陌踩到y(tǒng)開始采用視頻和雷達(dá)處理，而且引擎和剎車控制系統(tǒng)將采用基于模型的復(fù)雜計(jì)算方法，目前流行的查找表參考方法也將被復(fù)雜的實(shí)時(shí)運(yùn)算方法所替代。 

　　在處理器上集成適當(dāng)?shù)耐庠O(shè)、存儲(chǔ)器和I/O接口有助于提高性能和穩(wěn)定性，以及降低功耗和系統(tǒng)成本。汽車應(yīng)用的片上集成要求與其它信號(hào)處理應(yīng)用有很大的區(qū)別。因此，面向汽車應(yīng)用市場(chǎng)的供應(yīng)商必須針對(duì)這些應(yīng)用的特殊要求而專門設(shè)計(jì)其處理器。多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)面向汽車控制系統(tǒng)的處理器特別有用。例如，一個(gè)引擎控制系統(tǒng)一般要接收來自數(shù)十個(gè)模擬傳感器的輸入信號(hào)。 

      附表：處理器類型、代表性供應(yīng)商及處理器樣品

　　對(duì)面向汽車控制系統(tǒng)的處理器來說，片上閃存是一個(gè)關(guān)鍵特性，因?yàn)檫@些系統(tǒng)要使用很大的查找表，有時(shí)需要現(xiàn)場(chǎng)更新。如引擎控制系統(tǒng)所用的查找表就包含來自各種控制組件（比如加油器和點(diǎn)火線圈）的數(shù)萬個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)（或類似輸出值）。校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)一般是在汽車出廠前在實(shí)驗(yàn)室確定的，但汽車使用一段時(shí)間后某些校準(zhǔn)點(diǎn)可能需要調(diào)整。片上閃存就可以利用從汽車經(jīng)銷商處下載的數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)更新校準(zhǔn)點(diǎn)或控制算法的其它參數(shù)。 

　　與采用單獨(dú)的閃存芯片相比，將閃存集成在處理器上的最大好處在于系統(tǒng)性能的提高和成本的降低。雖然集成的片上閃存對(duì)系統(tǒng)開發(fā)商很有價(jià)值，但處理器供應(yīng)商要實(shí)現(xiàn)它卻非易事。經(jīng)汽車認(rèn)證的處理器對(duì)高溫的要求比主流閃存技術(shù)所能承受的溫度要高?？上攵谶@一市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)的處理器供應(yīng)商往往需要投入大量的資源以開發(fā)可在汽車系統(tǒng)上穩(wěn)定工作的閃存技術(shù)。 

　　數(shù)字網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器有助于分布式系統(tǒng)中處理器間的通信。有各種各樣的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議針對(duì)不同的汽車系統(tǒng)。面向特定汽車應(yīng)用的處理器一般都為相關(guān)協(xié)議集成了網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器。例如，控制域網(wǎng)絡(luò)（CAN）協(xié)議一般用于引擎和變速控制網(wǎng)絡(luò)。而面向媒體的系統(tǒng)傳輸（MOST）協(xié)議則針對(duì)車內(nèi)信息娛樂應(yīng)用，如音頻、視頻、導(dǎo)航及通信等。 

　　對(duì)于面向關(guān)鍵應(yīng)用的處理器，先進(jìn)的片上調(diào)試追蹤單元也十分有用。這種追蹤功能可為系統(tǒng)開發(fā)者提供詳細(xì)的處理器、軟件和操作系統(tǒng)狀態(tài)信息，這些信息對(duì)驗(yàn)證和調(diào)試特別有用。針對(duì)全球嵌入式處理器調(diào)試接口的Nexus 5001論壇標(biāo)準(zhǔn)定義了軟件與片上調(diào)試硬件的接口。該標(biāo)準(zhǔn)最早由IEEE行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)組織（IEEE-ISTO）于1999年制定，現(xiàn)已更新到IEEE-ISTO 5001-2003。該標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)者希望它能夠鼓勵(lì)開發(fā)工具供應(yīng)商將片上調(diào)試追蹤單元添加進(jìn)來，或加強(qiáng)對(duì)它的支持。

　　車內(nèi)信息和娛樂系統(tǒng)是當(dāng)前汽車應(yīng)用中對(duì)計(jì)算性能要求最高的信號(hào)處理系統(tǒng)，主要是因?yàn)檫@些系統(tǒng)涉及到視頻處理等需要強(qiáng)大信號(hào)處理功能的應(yīng)用。一個(gè)高檔信息娛樂系統(tǒng)可能包括多通道音頻系統(tǒng)、DVD播放器、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，以及免提移動(dòng)電話，所有這些都集成進(jìn)一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)。針對(duì)車內(nèi)信息娛樂系統(tǒng)的處理器包括相對(duì)高性能的DSP、DSP增強(qiáng)型通用處理器（GPP），以及DSP/GPP混合器件。這些處理器一般工作于200至750MHz的時(shí)鐘速率范圍內(nèi)。 

       相反地，針對(duì)引擎和剎車控制等關(guān)鍵控制系統(tǒng)的處理器一般都是中等性能的處理器。采用較大的芯片制造工藝（如0.18或0.25微米）比較容易滿足高溫等惡劣工作環(huán)境的要求，而且控制應(yīng)用的處理速度要求一般不太高。因此，相對(duì)較低的最大處理器時(shí)鐘速度（40至150 MHz）和較大的制造工藝是這類應(yīng)用的最佳選擇。然而，這類應(yīng)用對(duì)處理性能的要求也在不斷提高，處理器供應(yīng)商必須調(diào)整策略，以便在滿足高溫要求的同時(shí)獲得更高的性能。 

　　汽車應(yīng)用對(duì)價(jià)格特別敏感。處理器供應(yīng)商不得不開發(fā)高集成度的專用處理器以降低系統(tǒng)成本。雖然汽車應(yīng)用對(duì)價(jià)格比較敏感，但汽車資格認(rèn)證過程卻代價(jià)不菲，而且這些成本會(huì)增加芯片成本。結(jié)果，經(jīng)過汽車資格認(rèn)證的處理器一般要比非認(rèn)證的同類產(chǎn)品貴。在汽車信號(hào)處理系統(tǒng)中，高效節(jié)能一般不是主要問題。只有在引擎運(yùn)轉(zhuǎn)和電池充電系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)候，引擎、底盤和剎車控制等系統(tǒng)才處于工作狀態(tài)。 

　　盡管如此，高效節(jié)能在某些應(yīng)用中也很重要。有些系統(tǒng)在引擎關(guān)閉時(shí)處于工作狀態(tài)，它們的功耗必須很低以便電池耗能不會(huì)影響引擎啟動(dòng)。例如，車內(nèi)信息娛樂設(shè)備就是這類應(yīng)用之一。還有些系統(tǒng)必須密封得很好以免受到外界環(huán)境影響。在這種情況下，這類系統(tǒng)的封裝可能會(huì)影響散熱，因此功耗不能太大。 

　　針對(duì)汽車應(yīng)用的信號(hào)處理器 

　　在當(dāng)今的汽車系統(tǒng)中，有很多類型的芯片用于完成信號(hào)處理任務(wù)，從8位MCU到DSP，再到FPGA。在信號(hào)處理扮演重要角色的系統(tǒng)中，8位和16位MCU現(xiàn)已不常被采用，因?yàn)樗鼈兊奶幚硇阅苡邢?。為降低成本，系統(tǒng)開發(fā)商往往選擇那些性能正好夠用的處理器。但對(duì)某些應(yīng)用，預(yù)留一些性能空間是比較明智的，尤其是車內(nèi)信息娛樂系統(tǒng)，更能從這一性能空間的靈活性中獲益，因?yàn)橛行┕δ軕?yīng)用（如語音識(shí)別、導(dǎo)航及音頻控制）在選擇處理器時(shí)發(fā)展得尚不完善。 

　　32位嵌入式通用處理器（GPP）一般用于中等性能要求的汽車信號(hào)處理控制系統(tǒng)。這一檔次的處理器一般采用RISC結(jié)構(gòu)，所用指令簡(jiǎn)單、普通且?guī)缀鯚o并行指令。GPP在強(qiáng)調(diào)決策和控制流變化的算法處理上特別有效，但許多情況下其信號(hào)處理性能也不錯(cuò)。此外，GPP也是很好的編譯對(duì)象。與一些難于編譯的特殊DSP結(jié)構(gòu)相比，GPP編譯代碼是相當(dāng)有效的。流行的32位GPP結(jié)構(gòu)（比如MIPS、ARM和PowerPC）已廣泛應(yīng)用于汽車和非汽車應(yīng)用系統(tǒng)。 

　　市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可所帶來的優(yōu)勢(shì)包括豐富的第三方軟件組件供應(yīng)和強(qiáng)大的開發(fā)工具支持。這一類別的處理器包括德州儀器的TMS470系列（基于ARM7內(nèi)核）和飛思卡爾的MPC500系列（基于PowerPC內(nèi)核）。這兩種處理器都在32位通用處理器內(nèi)核上集成了汽車專用外設(shè)。飛思卡爾的MPC500系列處理器集成了外設(shè)、存儲(chǔ)器和專用I/O接口，主要針對(duì)引擎和變速控制應(yīng)用，它帶有大容量的閃存、多個(gè)CAN接口、一個(gè)Nexus調(diào)試接口、多個(gè)ADC，以及多個(gè)先進(jìn)的定時(shí)模塊。

　　DSP、DSP/GPP混合器件以及DSP增強(qiáng)型GPP一般用于車內(nèi)信息娛樂系統(tǒng)及需要信號(hào)處理功能的控制系統(tǒng)。這些處理器帶有特殊的功能，包括多積聚硬件、大容量存儲(chǔ)帶寬，以及采用多運(yùn)行算法的指令。這些特性綜合起來，可大大加速數(shù)字信號(hào)處理算法，比同樣時(shí)鐘速率的GPP要快得多。 

　　DSP/GPP混合器件及DSP增強(qiáng)型GPP意在集成DSP和GPP的最佳特性：DSP的信號(hào)處理功能以及GPP在決策密集型算法和編譯代碼中的高效率。這種功能組合對(duì)那些既要求信號(hào)處理又需要決策處理的系統(tǒng)尤其重要。這類處理器包括德州儀器的TMS320C2000系列、飛思卡爾的MC56F83xx系列、瑞薩的SH7760，以及模擬器件公司的ADSP-BF53x（Blackfin系列）。 

　　FPGA似乎不大適合汽車處理應(yīng)用，因?yàn)樗鼈円幌蛞园嘿F著稱。然而，最近幾年FPGA供應(yīng)商推出了一系列低成本、高效率的器件，使得FPGA也成為汽車系統(tǒng)的可選方案。與傳統(tǒng)的固定結(jié)構(gòu)處理器（比如DSP和GPP）不同，F(xiàn)PGA不受預(yù)先設(shè)定的指令集限制。相反，F(xiàn)PGA可為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供極大的設(shè)計(jì)靈活性，以便開發(fā)適于特定應(yīng)用的處理結(jié)構(gòu)。 

　　由于FPGA具有強(qiáng)大的并行處理能力，其信號(hào)處理速度比最快的固定結(jié)構(gòu)處理器還要快。但高性能是要付出代價(jià)的：基于FPGA的信號(hào)處理系統(tǒng)的開發(fā)成本要比固定結(jié)構(gòu)軟件開發(fā)的成本高得多。雖然FPGA在汽車系統(tǒng)中的作用會(huì)逐漸擴(kuò)大，但目前它主要用于車內(nèi)信息娛樂系統(tǒng)的接口。當(dāng)然，一旦FPGA進(jìn)入汽車系統(tǒng)，它就會(huì)有更多其它用途，有可能會(huì)替代其它系統(tǒng)組件的功能。 

　　例如，隨著用FPGA實(shí)現(xiàn)“軟”處理器內(nèi)核的出現(xiàn)，就像Altera的Nios II和賽靈思的MicroBlaze（二者都是32位RISC處理器內(nèi)核），微處理器可能會(huì)更多地采用FPGA實(shí)現(xiàn)，而不是單獨(dú)的芯片。這樣可節(jié)省成本，因?yàn)檐浐丝梢远ㄖ疲ㄔO(shè)計(jì)者可以包括和剔除某些特性，也可以在功能和資源消耗上左右取舍），而且還易于實(shí)現(xiàn)與采用FPGA結(jié)構(gòu)的專用硬件（比如特定算法加速器)的接口。 

　　數(shù)字信號(hào)處理器遍布汽車各個(gè)角落 

　　隨著汽車應(yīng)用的電動(dòng)和電控程度越來越高，數(shù)字信號(hào)處理將遍布汽車的各個(gè)角落。那些已經(jīng)采用數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用將會(huì)增加計(jì)算負(fù)荷，從而促使新一代高性能汽車處理器的發(fā)展。例如，飛思卡爾新型MCP5554處理器的運(yùn)行速度是其前一代產(chǎn)品MPC566的兩倍，而且新增的SIMD指令執(zhí)行功能可進(jìn)一步提高其信號(hào)處理性能。 

　　數(shù)字信號(hào)處理在汽車領(lǐng)域的新應(yīng)用既包括需要高信號(hào)處理性能的計(jì)算密集型應(yīng)用（如車道跟蹤系統(tǒng)），也包括僅需一般處理性能的應(yīng)用（如胎壓監(jiān)控系統(tǒng)－TPMS）。面向汽車信號(hào)處理應(yīng)用的處理器具有很寬的性能范圍，而且將來更會(huì)趨于多樣化。 
基于視頻的安全和信息娛樂系統(tǒng)等高端應(yīng)用將需要更高的信號(hào)處理性能，而TPMS等低端應(yīng)用則需要節(jié)能高效的處理性能。 

　　更多的處理器，更廣的性能范圍，這一趨勢(shì)何時(shí)是盡頭？也許要等到嵌入式處理器滲透到汽車系統(tǒng)的每一個(gè)角落。想象一下這一場(chǎng)景：除了集成進(jìn)每個(gè)輪胎的氣壓監(jiān)控器外（新型汽車將會(huì)強(qiáng)制實(shí)施），每個(gè)輪胎還內(nèi)置一個(gè)處理器用于收集和轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)于其狀態(tài)和性能的信息。例如，輪胎可能會(huì)自動(dòng)發(fā)出警告：“這是右前方輪胎，我注意到路面是濕的，但我的胎面花紋深度不足以應(yīng)付這種狀況。” 

　　你也許認(rèn)為這有點(diǎn)太超前，但在汽車系統(tǒng)中采用更多的處理器將是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。鑒于半導(dǎo)體產(chǎn)品的成本不斷降低，以及智能汽車器件的潛在好處，可以預(yù)見有一天我們的汽車將配有智能輪胎。